JP2022175849A - Ultra high speed image sensor - Google Patents

Ultra high speed image sensor Download PDF

Info

Publication number
JP2022175849A
JP2022175849A JP2021082593A JP2021082593A JP2022175849A JP 2022175849 A JP2022175849 A JP 2022175849A JP 2021082593 A JP2021082593 A JP 2021082593A JP 2021082593 A JP2021082593 A JP 2021082593A JP 2022175849 A JP2022175849 A JP 2022175849A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
electrodes
image sensor
imaging device
pixel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2021082593A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
考功 志村
Takayoshi Shimura
平司 渡部
Heiji Watabe
剛治 江藤
Koji Eto
誠之 松長
Masayuki Matsunaga
秀樹 武藤
Hideki Muto
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osaka University NUC
Original Assignee
Osaka University NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osaka University NUC filed Critical Osaka University NUC
Priority to JP2021082593A priority Critical patent/JP2022175849A/en
Publication of JP2022175849A publication Critical patent/JP2022175849A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Transforming Light Signals Into Electric Signals (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

To provide an image sensor and a photographing device capable of controlling the delay in the horizontal movement of a signal electron in the pixel of the image sensor to make the shooting speed ultra-high, and taking 10 to 40 consecutive images at a shooting speed equivalent to 100 billion images/second, or 100 images continuously at a shooting speed equivalent to 1 billion images/second.SOLUTION: In a sensor chip 136, each pixel is obtained by laminating an electrically insulating layer 143 parallel to a C plane parallel to a plane on which pixels are arranged, a circuit diffusion layer 141 which is a semiconductor layer, and a photoelectric conversion layer 140 which is a layer that generates charges by electromagnetic waves or charged particles in an A direction perpendicular to the plane on which the pixels are arranged from the insulating layer 143, and an electrode layer 144 in which L (L≥1) electrodes 149 are arranged in a B direction opposite to the A direction, and a surface on the photoelectric conversion layer side of adjacent surfaces of the circuit diffusion layer and the photoelectric conversion layer is substantially smaller than a surface on the circuit diffusion layer side, and one of the electrodes 149 includes two or more contacts that electrically join wires carrying different voltages.SELECTED DRAWING: Figure 12

Description

本発明は超高速撮影技術に関し、特に超高速イメージセンサに関する。 The present invention relates to ultra-high-speed imaging technology, and more particularly to ultra-high-speed image sensors.

(マルチ電荷収集ゲートイメージセンサ)
非特許文献1は時間分解能10ナノ秒(1億枚/秒)のイメージセンサを開示している。
(multi-charge collection gate image sensor)
Non-Patent Document 1 discloses an image sensor with a time resolution of 10 nanoseconds (100 million sheets/second).

また、非特許文献1は、該イメージセンサによる光の飛翔を連続撮影した例を開示している。イメージセンサを用いた光の飛翔の連続撮影の開示はこの文献が世界初である。 Non-Patent Document 1 discloses an example in which the image sensor continuously captures the flight of light. This document is the first in the world to disclose continuous shooting of light flight using an image sensor.

図1に10枚の連続画像のうちの6枚目(符号1)から10枚目までの5枚の画像を示している。 FIG. 1 shows 5 images from the 6th image (code 1) to the 10th image out of the 10 consecutive images.

図1には、通常のビデオカメラに映っていた1枚の画像2も示している。通常のビデオカメラでは奇数または偶数の行に1/60秒(16,666,666ナノ秒)ごとに1枚の画像が撮影される。従って、時間分解能10ナノ秒で連続10枚の画像を撮影するための合計100ナノ秒間の飛翔する光の画像は、通常のビデオカメラではいずれか1枚の画像内で重複して連続線として写る。 Also shown in FIG. 1 is a single image 2 that was captured by a conventional video camera. A typical video camera takes one image every 1/60 second (16,666,666 nanoseconds) on odd or even rows. Therefore, an image of flying light for a total of 100 nanoseconds for capturing ten continuous images with a time resolution of 10 nanoseconds will overlap as a continuous line in one of the images with a normal video camera. .

図2には、時間分解能10ナノ秒のイメージセンサの1画素の断面図3、表面側(図では下面)の電極の配置図4、裏面(図では上面)5に入射した光6で光電変換層(フォトダイオード)7で生成した電子の軌跡をモンテカルロシミュレーションで再現した例8、およびこのとき該電子が生成した位置からある深さ(縦軸)までに達する時間(横軸)と表面側に到着時の時間の広がり9を示している。 FIG. 2 shows a cross-sectional view 3 of one pixel of an image sensor with a time resolution of 10 nanoseconds, a layout diagram 4 of electrodes on the front side (lower side in the figure), and photoelectric conversion with light 6 incident on the back side (upper side in the figure) 5. Example 8 in which the trajectory of electrons generated in the layer (photodiode) 7 was reproduced by Monte Carlo simulation, and the time (horizontal axis) from the position where the electron was generated to a certain depth (vertical axis) and the surface side The time spread 9 on arrival is shown.

表面側には画素中心10から放射状に並べた6個の電荷収集ゲート11、12があり、その内の1個のゲート11の電極に他のゲート12の電極の電圧VLより高い電圧VHをかけている。裏面には電圧VBをかけており、VBとVHの大きな逆電圧で生じる空乏層中で電子を高速で表面側に導く。 There are six charge collection gates 11 and 12 arranged radially from the pixel center 10 on the front surface side. ing. A voltage VB is applied to the back surface, and electrons are led to the front surface side at high speed in a depletion layer generated by a large reverse voltage between VB and VH.

p-well13でこれらの電子を画素中心10に集め、表面側の回路拡散層14の中心10、さらにVHをかけた電荷収集ゲート11を経由して該電荷収集ゲートに接続する電荷保存ゲート15に導く。 These electrons are collected at the pixel center 10 by the p-well 13, and are transferred to the center 10 of the circuit diffusion layer 14 on the surface side, and further to the charge storage gate 15 connected to the charge collection gate 11 via the charge collection gate 11 applied with VH. lead.

電荷収集ゲートの電極に短時間間隔で順次VHをかけ、他をVLにすると、電子は順次6個の電荷保存ゲートに個別に誘導され、保存される。 By sequentially applying VH to the electrodes of the charge collection gates and VL to the others at short intervals, the electrons are individually induced and stored in the six charge storage gates in sequence.

これにより連続6枚分の画像信号が電荷保存ゲートに保存される。 As a result, image signals for six consecutive images are stored in the charge storage gates.

これで撮影は終了する。 This ends the shooting.

撮影が終わった後、画像信号は最外縁に配置した読み出しCCDゲート16に移す。電荷保存ゲート15との間はバリアゲート17で隔離されているので、バリアゲートに高い電圧を与えて隔離を解除し、電荷保存ゲートの電圧を下げて信号電荷を読み出しCCDゲートに渡す。 After photographing is completed, the image signal is transferred to the readout CCD gate 16 arranged at the outermost edge. Since it is isolated from the charge storage gate 15 by the barrier gate 17, a high voltage is applied to the barrier gate to release the isolation, the voltage of the charge storage gate is lowered, and the signal charge is read out and transferred to the CCD gate.

さらに読み出しCCDゲート16上を下方に画像信号を転送して受光面外に導く。一般的なCCD型イメージセンサでは読み出しCCDは縦に直線的に配置されているが、本発明の場合は6角形画素の左外周に「く」の字型、および右外周に逆「く」の字型に配置されているので、それらを縦に直線的に連ねた読み出しCCDに沿って下方に転送する(図示していない)。 Further, the image signal is transferred downward on the reading CCD gate 16 and led out of the light receiving surface. In a general CCD image sensor, readout CCDs are arranged vertically and linearly. Since they are arranged in the shape of a letter, they are transferred downward along the read-out CCDs arranged in a vertical line (not shown).

さらに受光面外に配した水平CCDを通して読み出し回路に転送され、フローティングディフュージョンで電圧信号に変換し、該イメージセンサの外部の回路に低速、すなわち低ノイズで読み出す。読み出しCCDからフローティングディフュージョンまでの経路は一般的なCCDでの読み出し方式なので図示していない。 Furthermore, it is transferred to a readout circuit through a horizontal CCD arranged outside the light receiving surface, converted into a voltage signal by floating diffusion, and read out to a circuit outside the image sensor at a low speed, that is, with low noise. The path from the readout CCD to the floating diffusion is not shown because it is a common readout system for CCDs.

フローティングディフュージョンまでの転送経路は全て埋め込み型CCDで構成されているので、原理的にはノイズレスでフローティングディフュージョンまで転送できる。 Since all the transfer paths to the floating diffusion are composed of embedded CCDs, in principle, data can be transferred to the floating diffusion without noise.

フローティングディフュージョンからの読み出し時には、完全なプロセスで作られた場合でも、原理的には読み出し速度の平方根に比例した読み出しノイズが介在する。 When reading from the floating diffusion, even if it is made by a perfect process, in principle, readout noise proportional to the square root of the readout speed intervenes.

従って、該イメージセンサを十分冷却し、暗電流の生成を抑制して低速読み出しすれば、現実的にほぼノイズレスで超高速撮影ができる。 Therefore, if the image sensor is sufficiently cooled to suppress the generation of dark current and low-speed readout is performed, virtually noiseless ultra-high-speed imaging can be realized in practice.

図2の構造を備えるイメージセンサを「マルチ電荷収集ゲートイメージセンサ」と呼ぶことにした。 An image sensor having the structure of FIG. 2 is called a "multiple charge collection gate image sensor".

このように各画素内や近傍に、各画素に対して複数の画像信号保存領域を備えるイメージセンサを、その構造と機能を表す名称として「その場保存イメージセンサ」、もしくは撮影時の動作を表す名称として「バーストイメージセンサ」と呼ぶ。 In this way, an image sensor that has multiple image signal storage areas for each pixel in or near each pixel is called an image sensor that expresses its structure and function. It is called a "burst image sensor" as a name.

通常のイメージセンサでは撮影中に生成した画像信号を電圧信号に直して連続的にイメージセンサ外のメモリ領域に転送し、記録する。 In a normal image sensor, image signals generated during photographing are converted into voltage signals and continuously transferred to a memory area outside the image sensor for recording.

このときイメージセンサの撮影速度を制限しているのは、1個のイメージセンサの限られた本数の信号読み出し線を介して、多数の画素からなる1フレーム分の信号を読み出すために必要な時間である。 At this time, the imaging speed of the image sensor is limited by the time required to read out signals for one frame consisting of many pixels via the limited number of signal readout lines of one image sensor. is.

バーストイメージセンサは撮影中には画像信号を外部に読み出さない。生成した画像信号をわずかに10ミクロン程度の微小な各画素内もしくはその近傍の保存領域に転送するだけの極めて短い時間間隔で連続画像を撮影できる。例えば図2の例では、画素中心10から電荷保存ゲート15まで信号電子を転送する極めて短い時間間隔で連続撮影できる。 The burst image sensor does not read image signals to the outside during shooting. Consecutive images can be taken at extremely short time intervals by transferring the generated image signals to a storage area in or near each minute pixel of only about 10 microns. For example, in the example of FIG. 2, continuous imaging can be performed at extremely short time intervals during which signal electrons are transferred from the pixel center 10 to the charge storage gate 15 .

マルチ電荷収集ゲートイメージセンサの連続撮影枚数は6枚で少ない。原理実証を目的としたからである。光の飛翔の撮影でその目的は達成された。 The number of continuous shots taken by the multi-charge collection gate image sensor is 6, which is small. This is because the purpose is to prove the principle. The purpose was achieved by photographing the flight of light.

さらに、撮影直前や直後に生成される電子が電荷保存部に混入することを防ぐために、6個のうちの1個の電荷保存ゲートをドレーン配線(図示していない)に接合した。このため実際の連続撮影枚数は5枚になった。 Furthermore, one of the six charge storage gates was connected to a drain wiring (not shown) in order to prevent electrons generated immediately before and after imaging from entering the charge storage section. Therefore, the actual number of continuous shots is five.

撮影枚数が少ないので、カメラには、偶数行上の画素と奇数行上の画素で交互撮影する機能も組み込んだ。従って撮影枚数10枚でも撮影できる。ただし感度は1/2になる Since the number of shots is small, the camera also incorporates a function that alternately shoots pixels on even-numbered rows and pixels on odd-numbered rows. Therefore, even 10 shots can be taken. However, the sensitivity will be 1/2.

さらに2×2画素を1個のマクロ画素とし、マクロ画素中の4個の要素画素で順次撮影すれば撮影枚数は20枚になる。ただし感度は1/4になる。ただし、該イメージセンサは原理実証センサであるので、撮影枚数を4倍にする機能は組みこんでいない。 Furthermore, if 2×2 pixels are defined as one macro pixel and four element pixels in the macro pixel are sequentially photographed, the number of photographed images becomes 20. However, the sensitivity becomes 1/4. However, since the image sensor is a proof-of-principle sensor, it does not incorporate the function of quadrupling the number of shots.

マルチ電荷収集ゲート構造を使わなくても、J×J個の要素画素から成るマクロピクセルを備えるイメージセンサで、要素画素で順番に撮影するとJ枚の画像を非常に短い時間間隔で撮影できる。 Even without using a multi-charge collection gate structure, an image sensor with a macro pixel consisting of J×J element pixels can capture J 2 images in a very short time interval when the element pixels are sequentially captured.

しかし感度が1/Jになる。 However, the sensitivity becomes 1 /J2.

超高速撮影では1枚の画像への入射光量が少ないので、感度の低下は致命的であり、使われることはほとんどない。 Since the amount of light incident on one image is small in ultra-high-speed photography, a drop in sensitivity is critical and is rarely used.

マルチ電荷収集ゲート構造では原理的に開口率は100%で感度の低下無しに、実質的にノイズレスで5枚の画像を超高速で撮影できるところに大きな特徴がある。 A major feature of the multi-charge collection gate structure is that, in principle, the aperture ratio is 100%, and five images can be taken at an ultra-high speed with virtually no noise without a decrease in sensitivity.

Jを2に抑えれば連続撮影枚数は20枚に増え、感度の低下は1/4で済む。 If J is suppressed to 2, the number of continuous shots increases to 20, and the decrease in sensitivity is reduced to 1/4.

(ブランチングイメージセンサ)
非特許文献2は、実用センサを目指して撮影枚数を増やすための図3に示す構造のイメージセンサ18を開示している。
(branching image sensor)
Non-Patent Document 2 discloses an image sensor 18 having a structure shown in FIG.

6個のマルチ電荷収集ゲート19の各々からさらに2個のゲート20に分岐している。このような画素を備えるセンサを「ブランチングイメージセンサ(枝分かれイメージセンサ)」と名付けた。 Two more gates 20 branch from each of the six multi-charge collection gates 19 . A sensor having such pixels is called a "branching image sensor".

図3には入射光子21で生成した電子の軌跡をモンテカルロシミュレーションで生成した例22を示している。これを逆転した形状からこのセンサを「花火」と呼ぶことにした。 FIG. 3 shows an example 22 in which the trajectory of an electron generated by an incident photon 21 is generated by Monte Carlo simulation. I decided to call this sensor "Fireworks" because of its inverted shape.

花火の連続撮影枚数は見かけ上は12枚である。 The number of continuous shots of fireworks is apparently 12 shots.

12個のうち2個をドレーンとして使うと、連続撮影枚数は10枚となる。2×2画素のマクロ画素構成で撮影すれば40枚になる。 If two of the 12 are used as drains, the number of continuous shots will be 10. If you shoot with a macro pixel configuration of 2×2 pixels, you get 40 shots.

複数の半導体チップを接合した3次元接合イメージセンサの開発が進んでいる。図10に例を示す。 Development of a three-dimensional junction image sensor in which a plurality of semiconductor chips are joined is progressing. An example is shown in FIG.

センサチップ126に接合されるチップにはドライバ回路を搭載したドライバチップ127や、多数のメモリ要素を搭載したメモリチップ128等がある。 Chips bonded to the sensor chip 126 include a driver chip 127 mounting a driver circuit, a memory chip 128 mounting a large number of memory elements, and the like.

花火が撮影できるのは、撮影枚数10枚から40枚のバーストイメージングだけではない。 Burst imaging with 10 to 40 shots is not the only way to shoot fireworks.

12個のフローティングディフュージョン24(図3参照)から、それまでに各フローティングディフュージョンに届いた信号電荷パケットを順次接合したメモリチップ128(図10参照)に送れば超高速で数100枚の連続画像を撮影することができる。この撮影方式を「準連続イメージング」と呼ぶことにする。 From the 12 floating diffusions 24 (see FIG. 3), if the signal charge packets that have reached each floating diffusion until then are sequentially sent to the memory chip 128 (see FIG. 10) that is joined, several hundred consecutive images can be produced at ultra high speed. You can shoot. This imaging method is called "quasi-continuous imaging".

図3ではp-wellによる画素中心への電荷の収集ではなく、画素面積に対して面積の小さい、開口が正方形の直方体のフォトダイオード23を用いている。 In FIG. 3, a rectangular parallelepiped photodiode 23 with a square aperture having a smaller area than the pixel area is used instead of the p-well for collecting charges to the center of the pixel.

非特許文献2の目的は表面側の画素構造の特性を調べることであったので、光電変換層の構造はできるだけ簡単にしたためである。 The purpose of Non-Patent Document 2 is to investigate the characteristics of the pixel structure on the surface side, so the structure of the photoelectric conversion layer is made as simple as possible.

性能の良いオンチップマイクロレンズ(図示していない)を装着すれば実質開口率は十分大きくなる。 If an on-chip microlens (not shown) with good performance is attached, the effective aperture ratio becomes sufficiently large.

また非特許文献1および非特許文献2には、p-wellに替わる高性能の電荷収集構造であるピラミッド電荷収集構造等(図示していない)も開示されている。 Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 also disclose a pyramid charge collection structure (not shown), which is a high-performance charge collection structure that replaces the p-well.

花火によるバーストイメージングと準連続イメージングの機能について説明する。 The functions of burst imaging and quasi-continuous imaging with pyrotechnics are described.

花火によるバーストイメージングで時間分解能100ps以下で実質的に最大40枚の画像を撮影できる。 Burst imaging of fireworks can capture substantially up to 40 images with a temporal resolution of 100 ps or less.

図3では各画素の辺縁部に設けられた電荷保存領域がフローティングディフュージョン24から成る。 In FIG. 3, the charge storage area provided at the edge of each pixel consists of the floating diffusion 24 .

フローティングディフュージョンを用いて保存された電荷信号パケットを電圧信号に変換し、低ノイズで外部に転送する。すなわちこのセンサではフローティングディフュージョンが信号電荷の蓄積・保存と信号の読み出しの2つの機能を果たす。 Using floating diffusion, the stored charge signal packets are converted into voltage signals and transferred to the outside with low noise. That is, in this sensor, the floating diffusion has two functions of accumulating/storing the signal charge and reading out the signal.

ヒトの眼球はサッケードという無意識の高速運動をしており、その最大振幅の周波数は7Hz程度である。網膜上にはサッケードに対応して次々に異なる位置に画像が生成しているが、脳で補正してそれらを振れない画像として認識している。 Human eyeballs make unconscious high-speed movements called saccades, and the maximum amplitude frequency is about 7 Hz. Images are generated one after another at different positions on the retina corresponding to the saccades, but the brain corrects them and recognizes them as images that do not shake.

従って連続画像をそれより速い10枚/秒で再生すればほとんどのヒトにはスムーズな運動に見える。 Therefore, playback of continuous images at a faster rate of 10 frames/second appears to most people as smooth motion.

テレビジョンでは少し余裕を持って25Hz(PALフォーマット、ヨーロッパ系)、または30Hz(NTSCフォーマット、日米系)の再生速度が採用された。 Television has adopted a playback speed of 25 Hz (PAL format, European system) or 30 Hz (NTSC format, Japanese and American system) with a little leeway.

花火で2×2画素のマクロピクセルで撮影した40枚の画像を10枚/秒で再生すれば4秒の連続画像になり、ヒトの画像認識における動的認識機能を活性化するための最低限の時間が確保される。これにより、静止画像の配列からは見つけることが困難な現象が見えてくる。 Replaying 40 images taken with 2×2 macropixels of fireworks at 10 frames/sec will result in a continuous image of 4 seconds, which is the minimum required to activate the dynamic recognition function in human image recognition. time is secured. This makes it possible to see phenomena that are difficult to find from an array of still images.

さらに、画像信号の保存をフローティングディフュージョンとしているので、以下で説明するように、ノイズレベルを少し許容すれば花火による準連続イメージングで時間分解能1ナノ秒で数100枚の連続超高速撮影ができる。 Furthermore, since the image signal is stored as a floating diffusion, as will be explained below, if the noise level is allowed to be a little, quasi-continuous imaging of fireworks can be performed at a time resolution of 1 nanosecond, and continuous ultra-high-speed shooting of several hundred images is possible.

連続撮影では撮影中のドレーンは不要なので、ある時間に1個のフローティングディフュージョンで保存した画像信号は、他の11個のフローティングディフュージョンで11枚の画像信号を保存している間に転送すれば良い。 Continuous shooting does not require a drain during shooting, so the image signal saved in one floating diffusion at a certain time can be transferred while the 11 image signals are saved in the other 11 floating diffusions. .

すなわち同じ撮影速度に対して、1画素に1個のフローティングディフュージョンを備える通常のイメージセンサに比べて各フローティングディフュージョンからの読み出し時間が10倍程度長くなる。 That is, for the same imaging speed, the readout time from each floating diffusion is about 10 times longer than that of a normal image sensor having one floating diffusion per pixel.

各フローティングディフュージョンから信号を読み出すために必要な消費電力は読み出し速度に比例し、読み出しノイズは読み出し速度の平方根に比例する。 The power consumption required to read out signals from each floating diffusion is proportional to the readout speed, and the readout noise is proportional to the square root of the readout speed.

従って、各画素に1個のフローティングディフュージョンを備える場合に比べて、花火では同じ消費電力では同じ消費電力に対して約10倍の低速で接合されたメモリチップに画像信号を連続的に送付できる。このときメモリチップへの転送に伴う読み出しノイズは約1/3になる。 Therefore, compared to the case where each pixel is provided with one floating diffusion, with the same power consumption, image signals can be continuously sent to the joined memory chips at about 10 times lower speed for the same power consumption. At this time, the read noise associated with the transfer to the memory chip is reduced to about 1/3.

現在、フローティングディフュージョンを使って信号読み出しする場合の時間分解能の世界記録は非特許文献1に開示されているように10ナノ秒程度である。従って花火を使えばその約10倍の速さのナノ秒の時間分解能で数100枚の連続画像を撮影することができる。 At present, the world record for time resolution in signal readout using floating diffusion is about 10 nanoseconds as disclosed in Non-Patent Document 1. Therefore, if fireworks are used, several hundred consecutive images can be taken with a time resolution of nanoseconds, which is about 10 times faster than that.

(限界時間分解能)
非特許文献3および4では図4に示すように限界時間分解能を定義している。
(limit time resolution)
Non-Patent Documents 3 and 4 define the limit time resolution as shown in FIG.

時間分解能は信号電子の検出面への到達時間で決まるわけではない。到達時間の広がりで決まる。平均到達時間は後で差し引けば良い。 Time resolution is not determined by the arrival time of signal electrons to the detection surface. Determined by the spread of arrival times. The average arrival time can be subtracted later.

ある面で瞬間的に1個の信号電子群が発生し、少し遅れて次の信号電子群が発生したとする。ある距離を通過して検出面に到達する間に拡散や混合により到達時間が広がる。この分布を正規分布で近似することにする。 Suppose that one signal electron group is instantaneously generated on a certain plane, and the next signal electron group is generated after a little delay. Diffusion and mixing extend the arrival time while traveling a certain distance to reach the detection surface. We will approximate this distribution with a normal distribution.

図4で平均値が異なり標準偏差が等しい2つの正規分布25,26の縦座標値が加わると、2つの平均値27,28間の距離29が標準偏差の2倍であるときは、和の分布の頂点30にくぼみが無くなり2つの分布が区別できない。 When the ordinate values of two normal distributions 25 and 26 with different mean values and equal standard deviations are added in FIG. 4, when the distance 29 between the two mean values 27 and 28 is twice the standard deviation, There is no dip at the peak 30 of the distribution and the two distributions are indistinguishable.

この条件を non-dip条件と名付けた。この条件に対する時間分解能を理論的限界時間分解能と名付けた。 This condition was named non-dip condition. The time resolution for this condition is named theoretical limit time resolution.

このとき、2つの正規分布の重なりが大きい。イメージセンサの用語ではこの重なりをクロストークと呼ぶ。 At this time, the overlap between the two normal distributions is large. In image sensor terminology, this overlap is called crosstalk.

一方、平均値間の距離31が標準偏差の3.3倍の時は明確なくぼみ32が現れる。このときは二つの分布は明瞭に分離できる。 On the other hand, a distinct dip 32 appears when the distance 31 between the means is 3.3 times the standard deviation. In this case, the two distributions can be clearly separated.

このときクロストークは5%になり、実用上十分許容される範囲となる。従ってこの条件を実用的限界時間分解能と名付けた。
(バーストイメージセンサの最高撮影速度の制限要因)
At this time, the crosstalk becomes 5%, which is within a practically acceptable range. Therefore, we named this condition as the practical limit temporal resolution.
(Limiting factor for maximum shooting speed of burst image sensor)

バーストイメージセンサの最高撮影速度は、フォトダイオードの物性による理論的限界と撮影のための回路のオペレーション速度に依存する。 The maximum imaging speed of the burst image sensor depends on the theoretical limit due to the physical properties of the photodiode and the operation speed of the circuit for imaging.

まずフォトダイオード内での限界時間分解能の制限要因を説明する。フォトダイオード内では信号電子の水平運動と垂直運動のそれぞれが時間分解能を制約する。 First, the factors limiting the critical time resolution in the photodiode will be explained. Horizontal and vertical motion of the signal electrons within the photodiode each constrains the time resolution.

水平運動の影響を示す良い例は図2に示されている。すなわちp-well上で電子が画素中心に集まるときの水平運動により時間分解能が大きく広がる。 A good example showing the effect of horizontal motion is shown in FIG. That is, the horizontal movement of electrons on the p-well when they gather at the center of the pixel greatly expands the time resolution.

フォトダイオードの幅が無限小であれば水平運動はない。しかし入射光による光電変換層内での電子の生成位置は平均生成深さをパラメータとする指数分布に従う。生成深さが分布することによって異なる時間に表面側に到達する電子の垂直混合が生じる。これに表面に到達するまでの拡散が重畳する。 If the photodiode width is infinitesimal, there is no horizontal motion. However, the positions of electrons generated by incident light within the photoelectric conversion layer follow an exponential distribution with the average generation depth as a parameter. The distribution of the generation depth causes vertical mixing of electrons arriving at the surface side at different times. Diffusion until it reaches the surface is superimposed on this.

その理論的最小限界が理論的限界時間分解能であり、シリコンフォトダイオードの場合では非特許文献3で導かれたように11.1psである。またゲルマニウムフォトダイオードでは、非特許文献4に開示したように0.25psである。 Its theoretical minimum limit is the theoretical limit time resolution, which in the case of silicon photodiodes is 11.1 ps as derived in Non-Patent Document 3. In the germanium photodiode, it is 0.25 ps as disclosed in Non-Patent Document 4.

図4に示したように、理論的限界時間分解能の条件で設計すると、連続する電子パケット間の時間的重複が大きく、画像間のクロストークが大きくなる。 As shown in FIG. 4, when designed under the condition of the theoretical limit time resolution, the temporal overlap between consecutive electronic packets is large and the crosstalk between images is large.

非特許文献4に示されているように、クロストークを5%に抑えるときのシリコンフォトダイオードの実用的時間分解能は約45ps、ゲルマニウムフォトダイオードのそれは1.45psである。 As shown in Non-Patent Document 4, when crosstalk is suppressed to 5%, the practical time resolution of silicon photodiodes is about 45 ps, and that of germanium photodiodes is 1.45 ps.

以上は垂直運動の効果の検討から得られる値である。フォトダイオードの幅をある程度以下にすると、フォトダイオード内では水平運動の効果より垂直運動の効果が卓越する。 The above values are obtained from the examination of the effect of vertical motion. When the width of the photodiode is reduced below a certain level, the effect of vertical motion becomes dominant within the photodiode over the effect of horizontal motion.

(時間分解能の駆動電圧への依存性)
撮影のための回路のオペレーション速度は、イメージセンサに乗っている撮影回路とイメージセンサ外に置かれている駆動回路に分かれる。
(Dependence of time resolution on drive voltage)
The operation speed of the circuit for photographing is divided into the photographing circuit mounted on the image sensor and the driving circuit placed outside the image sensor.

さらにイメージセンサ上の撮影回路は、回路拡散層内の信号電子の移動速度および、回路拡散層の各ゲートの容量Cとそれに接続する配線の電気抵抗の積RCに依存する。 Furthermore, the imaging circuit on the image sensor depends on the moving speed of signal electrons in the circuit diffusion layer and the product RC of the capacitance C of each gate of the circuit diffusion layer and the electrical resistance of the wiring connected thereto.

駆動回路のトランジスタについては50GHz(時間分解能20ps)程度の駆動速度のものが実用化されている。 As for the transistors of the driving circuit, those having a driving speed of about 50 GHz (time resolution of 20 ps) have been put into practical use.

3次元接合技術によりセンサチップに駆動回路チップを接合し、各画素もしくはマクロ画素に対して1個の駆動回路を設ければ配線距離は通常のイメージセンサの場合の数ミリメートルから10マイクロメートル以下になり、配線抵抗Rは数100分の1になる。これにより駆動回路としては時間分解能数10psの駆動が可能である。 By bonding the driver circuit chip to the sensor chip using three-dimensional bonding technology and providing one driver circuit for each pixel or macro pixel, the wiring distance can be reduced from several millimeters in the case of normal image sensors to 10 micrometers or less. As a result, the wiring resistance R becomes several hundredths. As a result, the drive circuit can drive with a time resolution of 10 ps.

(信号電荷の水平方向運動の時間分解能)
回路拡散層内の信号電子の運動に起因する時間分解能の低下の原因は大きく分けて2つある。画素中心付近で起こる混合、および撮影中は電荷保存ゲートの役割を果たすフローティングディフュージョンへの信号電荷の輸送中の速度の遅滞と拡散である。
(Time resolution of horizontal motion of signal charge)
There are roughly two reasons for the decrease in time resolution caused by the movement of signal electrons in the circuit diffusion layer. The mixing that occurs near the pixel center and the velocity lag and diffusion during transport of the signal charge to the floating diffusion that acts as a charge storage gate during imaging.

花火、p-well、電荷収集ピラミッド等により信号電子を画素中心に収めると、図3に示すように、信号電子22は束になって表面側の回路拡散層に降りてくる。これを水平方向に転送してフローティングディフュージョンの一つに送る。電子の束のフローティングディフュージョンから遠い位置と近い位置の距離は現在のところ2マイクロメートル程度である。 When the signal electrons are confined to the center of the pixel by firework, p-well, charge collection pyramid, etc., the signal electrons 22 bundle up and come down to the circuit diffusion layer on the surface side, as shown in FIG. Transfer this horizontally to one of the floating diffusions. The distance between the position far from the floating diffusion of the electron flux and the position close to it is currently about 2 micrometers.

これらが混合してフローティングディフュージョンに届く。これが水平混合による時間分解能の低下の主因の一つである。 These mix and reach the floating diffusion. This is one of the main causes of deterioration in temporal resolution due to horizontal mixing.

図5に電界に対する真性シリコンのドリフト速度33と真性ゲルマニウムのドリフト速度34を示す。点線と実線があるが、結晶方位による違いで大きくは変わらない。 FIG. 5 shows the drift velocity 33 of intrinsic silicon and the drift velocity 34 of intrinsic germanium with respect to the electric field. Although there are a dotted line and a solid line, there is no significant difference due to the difference in crystal orientation.

真性シリコンの95%飽和ドリフト速度は図5に示すように電界25kV/cmに対して9×10cm/sec程度である。従ってもし飽和ドリフト速度で水平方向に転送すれば2ミクロン程度を通過するために要する時間差は20ps程度となる。 The 95% saturation drift velocity of intrinsic silicon is about 9×10 6 cm/sec for an electric field of 25 kV/cm as shown in FIG. Therefore, if the light is transferred horizontally at the saturation drift velocity, the time difference required to pass through about 2 microns is about 20 ps.

これらの電子が混合するときの標準偏差は10ps程度となり、水平混合が原因の実用的時間分解能はその3.3倍で30ps程度となる。 The standard deviation when these electrons mix is about 10 ps, and the practical time resolution due to horizontal mixing is 3.3 times that, which is about 30 ps.

すなわち水平方向に飽和電界に近い電界をかけることができるならば、シリコンイメージセンサについてはフォトダイオードにおける光の侵入深さに起因する垂直混合効果で生じる時間分解能45psと同程度になる。 That is, if an electric field close to the saturation electric field can be applied in the horizontal direction, the time resolution of the silicon image sensor will be about the same as the time resolution of 45 ps caused by the vertical mixing effect caused by the light penetration depth in the photodiode.

しかし実際には水平方向に飽和ドリフト電界で転送するためには水平方向に隣接する電極間に少なくとも10V以上の電圧差を与える必要があり、シリコン酸化膜絶縁層の耐圧性と超高速駆動における消費電力の観点から実際上不可能と言って良い。 In practice, however, it is necessary to apply a voltage difference of at least 10 V or more between horizontally adjacent electrodes in order to transfer data in the horizontal direction with a saturated drift electric field. It can be said that it is practically impossible from the viewpoint of electric power.

図6は実際的な水平方向の電位勾配を検討した例である。図3の点線35に沿う電位分布36を示す。図の下向きが正の電位である。 FIG. 6 shows an example in which a practical horizontal potential gradient is examined. A potential distribution 36 along the dashed line 35 of FIG. 3 is shown. The downward direction in the figure is the positive potential.

図中に示す3つの電極37、38、39に順次高い電圧1.7V、2.3V、3.5Vをかけている。他の最外郭ゲートの電極20には全てVL=0Vをかけ、他の電荷収集ゲートの電極19には0.9Vをかけている。 High voltages of 1.7 V, 2.3 V and 3.5 V are applied to three electrodes 37, 38 and 39 shown in the figure in order. VL=0V is applied to all the electrodes 20 of the other outermost gates, and 0.9V is applied to the electrodes 19 of the other charge collection gates.

これにより上流側と下流側のフロ-ティングディフュージョンの前後約7ミクロンの距離に2V弱の電位差が生じている。すなわち電極に3.5V差という大きな電圧差を加えているにもかかわらず、平均電界は約2.8kV/cmで95%飽和電界25kV/cmより一桁小さい。 As a result, a potential difference of a little less than 2V is generated at a distance of about 7 microns before and after the floating diffusion on the upstream and downstream sides. That is, even though a large voltage difference of 3.5 V is applied to the electrodes, the average electric field is about 2.8 kV/cm, which is an order of magnitude smaller than the 95% saturation electric field of 25 kV/cm.

これに加えて転送経路35に沿う電位は少し波打ちながらフローティングディフュージョン179に向かって上昇する。 In addition, the potential along the transfer path 35 rises toward the floating diffusion 179 while undulating a little.

すなわち転送方向の電位の形状は各電極の中央部でフラットになる。このときの電界はゼロより少し大きい程度で非常に小さい。 That is, the shape of the potential in the transfer direction becomes flat at the central portion of each electrode. The electric field at this time is very small, being slightly larger than zero.

一方、電極と電極の境界ではステップ状に変わるのではなく勾配を描く。すなわち電界が電極中央部に比べてはるかに大きい。勾配を形成するのは、電極と電極の境界での階段状の急激な電圧変化が、数100ナノメートル上方の転送路(電位が最も高い溝の底を繋ぐ線)では相殺して滑らかになるからである。この効果を電界フリンジ効果と呼ぶ。 On the other hand, the boundary between the electrodes draws a gradient instead of changing stepwise. That is, the electric field is much larger than that in the center of the electrode. The reason for forming the gradient is that the steep stepwise voltage change at the boundary between the electrodes cancels out and becomes smooth in the transfer path (the line connecting the bottom of the groove with the highest potential) several hundred nanometers above. It is from. This effect is called the electric field fringe effect.

図5に示すように電界が小さくなるとドリフト速度が小さくなる。このため画素中央部では混合効果と拡散効果が、転送経路中では拡散効果が大きくなり電子の到達時の時間分布が大きく広がる。 As shown in FIG. 5, the smaller the electric field, the smaller the drift velocity. For this reason, the mixing effect and the diffusion effect are increased in the center of the pixel, and the diffusion effect is increased in the transfer path, so that the time distribution of arrival of electrons is greatly spread.

この課題を軽減するには信号電子の経路中の最小電界を最大化すれば良い。解は図6に示す直線電位40、すなわち一定電界である。そのため電極37、38、39等の電圧は電位分布ができるだけ直線に近くなるように設定している。 This problem can be alleviated by maximizing the minimum electric field in the path of the signal electrons. The solution is the linear potential 40 shown in FIG. 6, ie a constant electric field. Therefore, the voltages of the electrodes 37, 38, 39, etc. are set so that the potential distribution is as close to a straight line as possible.

さらに下流側では図3に示すように大きな幅のゲート38から幅がより小さいゲート39に信号電荷が転送される。このような場合、狭チャンネル効果と呼ばれる効果により、両ゲートに同じ電圧をかけた場合、転送方向に逆勾配が生じる。このため下流側のゲートに高い電圧をかける必要があるが、狭チャンネル効果により、狭チャンネル効果がない場合に比べて電界が小さくなる。 Further downstream, as shown in FIG. 3, the signal charges are transferred from the large width gate 38 to the smaller width gate 39 . In such a case, an effect called the narrow channel effect causes opposite gradients in the transfer direction when the same voltage is applied to both gates. Therefore, it is necessary to apply a high voltage to the gate on the downstream side, but the narrow channel effect reduces the electric field compared to the case without the narrow channel effect.

(レジスティブゲート)
CCDが実用化された1980年代には、電極中央部で低電界になることを防ぐためにレジスティブ(高抵抗)ゲートCCDが使われたことがある。図7に概念図を示す。図2および図3とは上下が逆転した図になっている。
(resistive gate)
In the 1980s when CCDs were put into practical use, resistive (high resistance) gate CCDs were used to prevent the electric field from becoming low at the center of the electrode. FIG. 7 shows a conceptual diagram. 2 and 3 are turned upside down.

通常のCCDゲートでは各ゲート電極の中央にコンタクトして電圧を供給する。従って電極の電圧は両端まで一定である。 In a normal CCD gate, a voltage is supplied by contacting the center of each gate electrode. The voltage across the electrodes is therefore constant across the board.

図7ではゲート41の両端にコンタクト42,43を取り、0.5Vの小さい電圧差を与えている。これにより電極そのものに転送方向の電圧差が生じ、上方の転送路でもそれが反映して電極中央部でフラットになる電位分布44が中央部でも明確な勾配を持つ電位分布45に改善される。 In FIG. 7, contacts 42 and 43 are placed across the gate 41 to give a small voltage difference of 0.5V. As a result, a voltage difference is generated in the electrode itself in the transfer direction, and the voltage difference is reflected in the upper transfer path, and the potential distribution 44 that is flat at the center of the electrode is improved to a potential distribution 45 that has a clear gradient even at the center.

1990年代以降はプロセスの微細化が進み、電極長が短くなって、電極の両端の電界フリンジ効果が中央に及び、レジスティブゲートを使う必要がなくなった。 Since the 1990s, process miniaturization has advanced, the electrode length has become shorter, and the electric field fringe effect at both ends of the electrode has spread to the center, making it unnecessary to use a resistive gate.

現在でも、リニアイメージセンサのように、通常の2次元イメージセンサに比べて高密度のプロセスを必要としない場合には、低価格のプロセスを用いて、比較的長い電極の両端にコンタクトを取って電極に電界を与えている場合もある。 Even today, when a linear image sensor does not require a high-density process compared to a normal two-dimensional image sensor, a low-cost process is used to contact both ends of a relatively long electrode. In some cases, an electric field is applied to the electrodes.

この場合、電極内を常時流れる電流により消費電力が大きくなるので、高抵抗電極を使う。ポリシリコン電極の場合では、不純物濃度を1017/cm程度以下にする。これがレジスティブゲートCCDの名称の由来である。 In this case, a high-resistance electrode is used because the current constantly flowing through the electrode increases the power consumption. In the case of polysilicon electrodes, the impurity concentration is set to about 10 17 /cm 3 or less. This is the origin of the name of the resistive gate CCD.

一方通常のCCDではできるだけ短時間で各電極の両端まで電圧を一定にするために低抵抗電極を使う。CCDが発明された当時の電極はアルミニウムであった。現在は不純物濃度が1019/cm以上の低抵抗ポリシリコンを使っている。高速化するために金属を添加する場合もある。 On the other hand, normal CCDs use low-resistance electrodes in order to keep the voltage constant across each electrode in as short a time as possible. At the time the CCD was invented, the electrodes were aluminum. At present, low resistance polysilicon with an impurity concentration of 10 19 /cm 3 or more is used. In some cases, metals are added to increase speed.

T. G. Etoh, et al., Light-in-Flight Imaging by a Silicon Image Sensor: Toward the Theoretical Highest Frame Rate, Sensors, 19(10), 2247, 2019.T. G. Etoh, et al. , Light-in-Flight Imaging by a Silicon Image Sensor: Toward the Theoretical Highest Frame Rate, Sensors, 19(10), 2247, 2019. N. H. Ngo, et al., A Pixel Design of a Branching Ultra-Highspeed Image Sensor, Sensors, 21(7), 25063, 2021.N. H. Ngo, et al. , A Pixel Design of a Branching Ultra-Highspeed Image Sensor, Sensors, 21(7), 25063, 2021. T. G. Etoh, et al., The Theoretical Highest Frame Rate of Silicon Image Sensors, Sensors, 17(3), 483, 2017.T. G. Etoh, et al. , The Theoretical Highest Frame Rate of Silicon Image Sensors, Sensors, 17(3), 483, 2017. N. H. Ngo, et al., Toward the Super-Temporal-Resolution Image Sensor with a Germanium Photodiode for Visible Light-, Sensors, 21(7), 20(23),6895, 2020.N. H. Ngo, et al. , Toward the Super-Temporal-Resolution Image Sensor with a Germanium Photodiode for Visible Light-, Sensors, 21(7), 20(23), 6895, 2020.

回路拡散層中の信号電荷の転送経路に沿う電界は、経路中の複数の電極の中央部でフラットになり、ドリフト速度の低下と拡散効果の増大が生じ、相乗効果により時間分解能を大きく低下させる。 The electric field along the transfer path of the signal charge in the circuit diffusion layer becomes flat at the center of the multiple electrodes in the path, causing a decrease in drift velocity and an increase in diffusion effect, and the synergistic effect greatly reduces the time resolution. .

最適条件は最小電界の最大化である。解は直線電位(電界一定)である。 The optimum is maximizing the minimum electric field. The solution is a linear potential (constant electric field).

またある幅のゲートから、より幅の狭いゲートに電荷を転送するときは、狭チャンネル効果が生じる。 Also, when transferring charge from a gate of one width to a gate of narrower width, a narrow channel effect occurs.

また比較的広い電極を用いる場合は、信号電荷のランダム運動等により、信号電荷が設計上予定していた電荷収集ゲートではなく、別の電荷収集ゲートに向かい、異なる信号電荷パケット間のクロストークを生じる。 In addition, when a relatively wide electrode is used, due to random movement of the signal charge, the signal charge is not directed to the charge collection gate intended by design, but to another charge collection gate, thereby causing crosstalk between different signal charge packets. occur.

I(≧2)種の異なる電圧を生成する電圧生成デバイスと、該異なる電圧を送付する配線と、平面上に配列されたM行×N列(M≧1、N≧1)の半導体から成る要素(以下「画素」と称する)を備えるデバイス(以下「センサチップ」と称する)とを備える撮影装置であって、該平面と平行な面をC面、直交する方向をA方向、該A方向の逆方向をB方向と呼ぶとき、各画素は、C面に平行な電気的絶縁層(以下「絶縁層」と称する)と、該絶縁層からA方向に半導体層(以下「回路拡散層」と称する)と、電磁波もしくは荷電粒子により電荷を生成する層(以下「光電変換層」と称する)と、該B方向に、L個(L≧1)の電極を配置した電極層とを、実質的に積層して成り、該回路拡散層と該光電変換層の近接する面の該光電変換層側の面が該回路拡散層側の面より実質的に小さいとともに、該電極の一つが、該異なる電圧を送付する配線と電気的に接合する2個以上のコンタクトを備えることにより、該光電変換層に入射した光などで生成した信号電荷を、該回路拡散層と該光電変換層の近接する面の該光電変換層側の面を通して該回路拡散層の所定の回路に送ることにより、該回路拡散層内の他の回路に該信号電荷が迷入して偽信号を生成することを防ぐとともに、該回路拡散層内で画素中心から放射方向に配置したゲートへの信号電荷の順次転送を可能にするとともに、該電極内の電圧に該2個以上のコンタクトを結ぶ線方向に電圧勾配が生成し、その結果、該回路拡散層内に、該2個以上のコンタクトを結ぶ線方向に平行な方向に、該電圧勾配が無い場合の最小電界より大きな電界を生じ、その結果、信号電荷の転送速度が大きくなり、信号電荷の到達地点における到達時間の広がりを防ぎ、時間分解能の高い撮影装置を提供する。 It consists of voltage generating devices for generating I (≧2) kinds of different voltages, wiring for transmitting the different voltages, and semiconductors arranged on a plane in M rows×N columns (M≧1, N≧1). A device (hereinafter referred to as a "sensor chip") having elements (hereinafter referred to as "pixels"), wherein a plane parallel to the plane is a C plane, a direction orthogonal to the plane is an A direction, and the A direction is When the opposite direction is called the B direction, each pixel consists of an electrical insulating layer (hereinafter referred to as "insulating layer") parallel to the C plane and a semiconductor layer (hereinafter "circuit diffusion layer") extending from the insulating layer in the A direction. ), a layer that generates charges by electromagnetic waves or charged particles (hereinafter referred to as a “photoelectric conversion layer”), and an electrode layer in which L (L≧1) electrodes are arranged in the B direction, substantially the circuit diffusion layer and the photoelectric conversion layer adjacent to each other, the surface facing the photoelectric conversion layer is substantially smaller than the surface facing the circuit diffusion layer; By providing two or more contacts that are electrically connected to wires that transmit different voltages, signal charges generated by light incident on the photoelectric conversion layer are transferred to the circuit diffusion layer and the photoelectric conversion layer. By sending to a predetermined circuit of the circuit diffusion layer through the surface of the surface on the photoelectric conversion layer side, the signal charge is prevented from straying into other circuits in the circuit diffusion layer and generating a false signal, In the circuit diffusion layer, signal charges can be sequentially transferred from the center of the pixel to the gates arranged in the radial direction, and a voltage gradient is generated in the voltage in the electrode in the line direction connecting the two or more contacts. As a result, an electric field larger than the minimum electric field in the absence of the voltage gradient is generated in the circuit diffusion layer in a direction parallel to the line connecting the two or more contacts, resulting in a signal charge transfer rate. To provide an imaging device with high time resolution by preventing the spread of the arrival time at the arrival point of signal charges.

さらに、該電極の一つが実質的な画素中心から実質的に等距離に3個以上のコンタクトを備えることにより、中心から放射方向にある3カ所以上の電荷保存ゲートに等時間分解能かつ高速で信号電荷を転送できる。 Furthermore, one of the electrodes is provided with three or more contacts substantially equidistant from the substantial center of the pixel, so that signals are sent to three or more charge storage gates radially from the center with equal time resolution at high speed. It can transfer charge.

さらに、実質的な画素中心から実質的に等距離に2個の電極を備えることにより、画素中心領域にある超高速信号転送を必要とする電極以外の電極については1個のコンタクトにして流れる電流を無くして消費電力を削減できる。 Furthermore, by providing two electrodes substantially equidistant from the substantial center of the pixel, the electrodes other than the electrode requiring ultra-high-speed signal transfer in the pixel center region are made into a single contact for the current to flow. can be eliminated to reduce power consumption.

さらに、該電極の一つの不純物濃度が実質的に1018/cm以下であることを特徴とすることにより、該電極内で生じる電流値を下げ、消費電力を削減した撮影装置を提供する。 Further, the impurity concentration of one of the electrodes is substantially 10 18 /cm 3 or less, thereby reducing the current value generated in the electrode and providing an imaging apparatus with reduced power consumption.

さらに、該回路拡散層内にあって、該電極の一つの上にある実質的に隣接する2個のコンタクトを結合する線と平行な帯状領域と、該帯状領域の外部の領域の不純物種、もしくは不純物濃度が異なることにより、信号電荷の経路を該帯状領域に限定することが出来、信号電子のランダム運動等により信号電子が所定の電荷保存ゲート以外の電荷保存ゲートに迷入することによる複数の画像間のクロストークを下げることができる。 a strip-shaped region in said circuit diffusion layer parallel to a line connecting two substantially adjacent contacts on one of said electrodes; impurity species in a region outside said strip-shaped region; Alternatively, the path of the signal charge can be limited to the belt-like region by varying the impurity concentration, and the random movement of the signal electrons causes the signal electrons to wander into the charge storage gates other than the predetermined charge storage gates. Crosstalk between images can be reduced.

さらに、該電極の一つが凹多角形からなることにより、該回路拡散層内の信号電荷の予定している経路に相当する電極面以外の部分に切り込みを入れることができ、渦電流等の無駄な電流の生起を防ぎ、消費電力を下げるとともに、クロストークを下げることができる。 Furthermore, since one of the electrodes is a concave polygon, it is possible to make a cut in a portion other than the electrode surface corresponding to the intended path of the signal charge in the circuit diffusion layer. It is possible to prevent generation of excessive current, reduce power consumption, and reduce crosstalk.

時間分解能10ナノ秒のイメージセンサで撮影した光の飛翔を示す写真。A photograph showing flight of light captured by an image sensor with a time resolution of 10 nanoseconds. 時間分解能1ナノ秒を実現した裏面照射マルチ電荷収集ゲートイメージセンサと機能を示す図。FIG. 1 shows a back-illuminated multi-charge collection gate image sensor with 1 ns time resolution and functionality. ブランチングイメージセンサ:花火の断面図と電極構造を示す図。Branching image sensor: Cross-sectional view of fireworks and diagram showing electrode structure. 到達時間分布が正規分布の場合の限界時間分解能の定義を示す図。The figure which shows the definition of the limit time resolution in case arrival time distribution is normal distribution. 電界に対するシリコンとゲルマニウムのドリフト速度を示す図。FIG. 4 shows the drift velocity of silicon and germanium versus electric field. 花火の水平方向転送路の電位形状を示す図。FIG. 4 is a diagram showing potential shapes of horizontal transfer paths of fireworks; レジスティブゲートと通常のゲートの回路拡散層内での電位分布形状の比較を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a comparison of potential distribution shapes within circuit diffusion layers of a resistive gate and a normal gate; カメラを示す図。The figure which shows a camera. 異なる電圧の生成手段を示す図。Fig. 3 shows means for generating different voltages; イメージセンサの外形図。Outline drawing of an image sensor. イメージセンサチップの表面の概形を示す図。FIG. 4 is a diagram showing the outline of the surface of an image sensor chip; 本発明の第1の実施の形態の断面図。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Sectional drawing of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態の電極の概形を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a schematic shape of an electrode according to the first embodiment of the present invention; 本発明の第1の実施の形態の駆動電圧の動作タイミングを示す図。FIG. 4 is a diagram showing operation timings of drive voltages according to the first embodiment of the present invention; 花火、および本発明の第1の実施の形態の電極と電位分布の例を示す図。FIG. 4 is a diagram showing an example of fireworks, electrodes and potential distributions according to the first embodiment of the present invention; 花火と、本発明の第1の実施の形態の電位分布の比較を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a comparison of potential distribution between fireworks and the first embodiment of the present invention; 本発明の第2の実施の形態の電極と回路拡散層の不純物ドープ形状を示す図。FIG. 7 is a diagram showing impurity doping shapes of electrodes and circuit diffusion layers according to the second embodiment of the present invention; 本発明の第3の実施の形態の電極と回路拡散層の不純物ドープ形状を示す図。FIG. 10 is a diagram showing impurity doping shapes of electrodes and circuit diffusion layers according to a third embodiment of the present invention;

(第1の実施の形態)
(第1の実施の形態の構造)
[撮影装置]
図8は本発明の第1の実施形態の撮影装置の構成図100を示す。入射光101は光学系、すなわちフィルター102、レンズ103、絞り104およびシャッター105を経由してイメージセンサ106に入射する。
(First embodiment)
(Structure of the first embodiment)
[Shooting device]
FIG. 8 shows a configuration diagram 100 of an imaging apparatus according to the first embodiment of the present invention. Incident light 101 enters an image sensor 106 via an optical system, ie filter 102 , lens 103 , diaphragm 104 and shutter 105 .

イメージセンサはカメラ部107の先端についている。イメージセンサは撮影制御回路108と信号読み出し回路109で制御される。信号読み出し回路にはデジタル画像信号を一時保存するためのバッファメモリ110が接続している。バッファメモリは通信回路111、さらに制御コンピュータ内の画像処理装置112に接続している。制御コンピュータはこの他に全システムを制御するための制御回路113と内部記録装置114を内蔵している。また制御コンピュータには外部記録装置115、ディスプレイ116、コンソール117、マウス118、および撮影対象現象の生起と同期して撮影を開始および停止するためのトリガー装置119、および照明装置120が接続されている。 An image sensor is attached to the tip of the camera unit 107 . The image sensor is controlled by an imaging control circuit 108 and a signal readout circuit 109 . A buffer memory 110 for temporarily storing the digital image signal is connected to the signal reading circuit. The buffer memory is connected to the communication circuit 111 and further to the image processing device 112 in the control computer. The control computer also incorporates a control circuit 113 and an internal recording device 114 for controlling the entire system. Also connected to the control computer are an external recording device 115, a display 116, a console 117, a mouse 118, a trigger device 119 for starting and stopping photography in synchronization with the occurrence of a phenomenon to be photographed, and an illumination device 120. .

図9は撮影制御回路108を示す。FPGA121で生成した信号波形と定電圧生成デバイス122で生成した定電圧を合成して電圧生成デバイス123で生成した動電圧波形が配線124から出力される。 FIG. 9 shows the imaging control circuit 108. As shown in FIG. A signal waveform generated by the FPGA 121 and a constant voltage generated by the constant voltage generation device 122 are synthesized to generate a dynamic voltage waveform by the voltage generation device 123 , which is output from the wiring 124 .

FPGA121に組み込まれたプログラムに従って制御が行われる。FPGA121は信号読み出し回路の制御も行う。 Control is performed according to the program incorporated in FPGA121. The FPGA 121 also controls the signal readout circuit.

[イメージセンサ]
図10はイメージセンサ125の外形を示す。
[Image sensor]
FIG. 10 shows the outline of the image sensor 125. As shown in FIG.

3枚のICチップが接合し、1個のイメージセンサ125をなしている。受光側のチップをセンサチップ126と呼ぶ。センサチップに駆動回路チップ127とメモリチップ128とが接合されている。 Three IC chips are bonded to form one image sensor 125 . A chip on the light receiving side is called a sensor chip 126 . A drive circuit chip 127 and a memory chip 128 are bonded to the sensor chip.

センサチップ126と駆動回路チップ127とはチップ間コンタクト(図示していない)で電気的に接合している。またメモリチップ128とは駆動回路チップ127の貫通電極(図示していない)とチップ間コンタクト(図示していない)を介して電気的に接合している。 The sensor chip 126 and the drive circuit chip 127 are electrically connected by chip-to-chip contacts (not shown). Also, the memory chip 128 is electrically connected to the drive circuit chip 127 via through electrodes (not shown) and chip-to-chip contacts (not shown).

電圧生成デバイス123から送られて来た複数の電圧波形は駆動回路チップ127上の配線と回路(図示していない)を介して、各画素への転送時間間の時差を実質的に無視できる値に保ってセンサチップ126内の各画素の電極のコンタクトに送付される。 A plurality of voltage waveforms sent from the voltage generating device 123 are transmitted through wiring and circuits (not shown) on the driving circuit chip 127, and the time difference between the transfer times to each pixel is substantially negligible. , and sent to the electrode contacts of each pixel in the sensor chip 126 .

[センサチップ]
センサチップ126の裏面129にはパッド130から金属配線131を介して裏面電圧VBが供給されている。
[Sensor chip]
A rear surface voltage VB is supplied to the rear surface 129 of the sensor chip 126 from a pad 130 through a metal wiring 131 .

図11はセンサチップ126の平面図132を示す。 FIG. 11 shows a plan view 132 of sensor chip 126 .

センサチップ126の中央部に1024×1024画素からなる受光面133がある。周囲にパッド領域134とマルチプレクサ領域135がある。 At the center of the sensor chip 126 is a light receiving surface 133 consisting of 1024×1024 pixels. There is a pad area 134 and a multiplexer area 135 around it.

1画素のサイズは11.4ミクロン×11.4ミクロンである。したがって受光面は11.6736mm×11.6736mmである。チップサイズは20mm×20mmである。 The size of one pixel is 11.4 microns by 11.4 microns. Therefore, the light receiving surface is 11.6736 mm×11.6736 mm. The chip size is 20 mm×20 mm.

図12は第1の実施の形態のセンサチップ126の1画素の断面図136を示す。図では上が裏面である。 FIG. 12 shows a cross-sectional view 136 of one pixel of the sensor chip 126 of the first embodiment. In the figure, the top is the back side.

各画素は、裏面側にオンチップマイクロレンズからなる集光手段を備えるが、自明であるので図示していない。 Each pixel has a condensing means consisting of an on-chip microlens on the back side, but it is not shown because it is self-explanatory.

センサチップ126の裏面129は遮光層137で覆われているが、開口部138を有している。 The back surface 129 of the sensor chip 126 is covered with a light shielding layer 137 and has an opening 138 .

入射光139はオンチップマイクロレンズ等の集光手段(図示していない)により実質的に該開口部上に集光する。 Incident light 139 is focused substantially onto the aperture by a focusing means (not shown) such as an on-chip microlens.

遮光層137の下はシリコン層からなる光電変換層140および回路拡散層141で、遮光層137およびその開口部と該シリコン層の間は酸化シリコン膜142で電気的に隔絶されている。 A photoelectric conversion layer 140 and a circuit diffusion layer 141 made of a silicon layer are provided under the light shielding layer 137, and a silicon oxide film 142 electrically separates the light shielding layer 137 and its opening from the silicon layer.

回路拡散層141の下面(表面側)は酸化シリコンからなる絶縁層143で、その下面に電極層144が接合している。 The lower surface (surface side) of the circuit diffusion layer 141 is an insulating layer 143 made of silicon oxide, and the electrode layer 144 is joined to the lower surface.

図10に示すように、さらに下面に駆動回路チップ127が接合している(図12では図示していない)。 As shown in FIG. 10, a drive circuit chip 127 is further bonded to the lower surface (not shown in FIG. 12).

画素サイズは11.4ミクロンであるが、遮光層137の開口部と光電変換層140の幅は5ミクロンでともに正方形である。 The pixel size is 11.4 microns, but the width of the opening of the light shielding layer 137 and the width of the photoelectric conversion layer 140 are both 5 microns and square.

光電変換層140の厚さは11.1ミクロン、回路拡散層141の厚さは1ミクロンである。その下の絶縁層143は2酸化ケイ素膜で厚さは20ナノメートルである。電極はポリシリコンでできており厚さは0.02ミクロンである。 The photoelectric conversion layer 140 has a thickness of 11.1 microns, and the circuit diffusion layer 141 has a thickness of 1 micron. The underlying insulating layer 143 is a silicon dioxide film with a thickness of 20 nanometers. The electrodes are made of polysilicon and are 0.02 microns thick.

光電変換層140と回路拡散層141では不純物の打ち込みをする前に1014/cmの濃度のリンイオンがドープされている。この濃度のシリコンの半導体特性は実質的に真性シリコンのそれと変わらない。 The photoelectric conversion layer 140 and the circuit diffusion layer 141 are doped with phosphorus ions at a concentration of 10 14 /cm 3 before impurity implantation. The semiconducting properties of silicon at this concentration are substantially the same as those of intrinsic silicon.

光電変換層140の側面は厚さ20ナノメートルの2酸化シリコンの絶縁層145で覆われ、その外部の空間146はポリシリコンで満たされている。 The side surface of the photoelectric conversion layer 140 is covered with an insulating layer 145 of silicon dioxide having a thickness of 20 nm, and the space 146 outside thereof is filled with polysilicon.

光電変換層140の裏面側(図では上側)と側面は厚さ0.1ミクロンで濃度が1018/cmのボロンイオンのドープ層147となっている。 The back surface side (upper side in the drawing) and side surfaces of the photoelectric conversion layer 140 are doped layers 147 of boron ions having a thickness of 0.1 μm and a concentration of 10 18 /cm 3 .

回路拡散層の表面側には画素中心を中心として12角形の厚さ0.3ミクロンで濃度が1017/cmのリンイオンが全面的にドープされた転送路層148になっている。 On the surface side of the circuit diffusion layer, a dodecagonal transfer path layer 148 with a thickness of 0.3 μm centering on the center of the pixel and entirely doped with phosphorus ions at a concentration of 10 17 /cm 3 is formed.

また絶縁層の下には画素中心を中心として12角形の1枚の電極149が配置されている。 Under the insulating layer, one dodecagonal electrode 149 is arranged around the center of the pixel.

図13は表面側の12角形の1個の電極149、12個のコンタクト150、12の読み出し回路151の配置を示す。 FIG. 13 shows the arrangement of one dodecagonal electrode 149, twelve contacts 150, and a readout circuit 151 of the 12 on the surface side.

各読み出し回路151はフローティングディフュージョン152、リセットゲート153、リセットドレーン154とから成る。 Each readout circuit 151 consists of a floating diffusion 152 , a reset gate 153 and a reset drain 154 .

(第1の実施の形態の機能とオペレーション)
裏面にVB=-20V、リセットドレーンには3Vの電圧が加えられている。
(Functions and operations of the first embodiment)
A voltage of VB=-20V is applied to the rear surface, and a voltage of 3V is applied to the reset drain.

コンタクト150には高い電圧VCH=3.5Vおよび低い電圧VCL=0Vが交互に加えられる。 A high voltage VCH=3.5V and a low voltage VCL=0V are alternately applied to contact 150 .

図14はバーストイメージングの場合に10枚の画像を撮影する間の駆動電圧パターンを示している。この場合はコンタクト157とコンタクト159には電圧波形155が送られる。すなわち撮影前は電圧CVHが送られ、撮影中は電圧CVLが送られる。他のコンタクトには撮影前と撮影後はCVLが送られる。 FIG. 14 shows the drive voltage pattern while taking 10 images in the case of burst imaging. In this case, a voltage waveform 155 is sent to contacts 157 and 159 . That is, the voltage CVH is sent before photographing, and the voltage CVL is sent during photographing. CVL is sent to other contacts before and after shooting.

これにより撮影前と後に光電変換層で生成される電子はフローティングディフュージョン160とフローティングディフュージョン161からリセットドレーン162とリセットドレーン163を通して画素外に排出される。 As a result, electrons generated in the photoelectric conversion layer before and after photographing are discharged from the floating diffusion 160 and the floating diffusion 161 through the reset drain 162 and the reset drain 163 to the outside of the pixel.

他のコンタクトには順次CVHが送られ、信号電荷は順次各フローテフィングディフュージョンに保存される。この間のリセットゲートの操作は良く知られているので図示していない。 CVH is sent to the other contacts in sequence, and the signal charge is stored in each floating diffusion in sequence. The operation of the reset gate during this period is well known and is not shown.

従ってバーストイメージングでの撮影枚数は10枚となる。 Therefore, the number of shots in burst imaging is ten.

一方、メモリチップへの準連続読み出し(駆動パルスは図示していない)ではフローティングディフュージョン160とフローティングディフュージョン161は他のフローティングディフュージョンと同様の読み出し操作を行う、 On the other hand, in quasi-continuous readout to the memory chip (driving pulses are not shown), the floating diffusions 160 and 161 perform the same readout operation as the other floating diffusions.

1個のフローティングディフュージョンで収集した信号は、他の11個のフローティングディフュージョンで順次信号を収集している間にゆっくりメモリチップに転送する。 The signal acquired by one floating diffusion is slowly transferred to the memory chip while the signals are acquired sequentially by the other 11 floating diffusions.

図15に花火の電極配置156、第1の実施の形態の電極149、コンタクト157にCVHを、他の電極にCVLをかけた時の回路拡散層の電位分布158を示す。 FIG. 15 shows the potential distribution 158 of the circuit diffusion layer when CVH is applied to the electrode arrangement 156 of the fireworks, the electrode 149 of the first embodiment, and the contact 157, and CVL is applied to the other electrodes.

花火では19個のゲートに分かれているがそれら全体の外形のサイズは第1の実施の形態の1個のゲート149のそれと同じである。それ以外の第1の実施の形態の構成要素のサイズは花火の対応する要素の構成要素のサイズと同じである。 Although the fireworks are divided into 19 gates, the size of the outline of all of them is the same as that of the single gate 149 in the first embodiment. Otherwise, the sizes of the components of the first embodiment are the same as the sizes of the components of the corresponding elements of the fireworks.

また第1の実施の形態の外縁に配置している12個のコンタクト150に加える電圧差(VCH―VCL)は3.5Vであり、花火の外縁の12個のゲートに加える電圧の電圧差も3.5Vである。 The voltage difference (VCH-VCL) applied to the twelve contacts 150 arranged on the outer edge of the first embodiment is 3.5 V, and the voltage difference of the voltage applied to the twelve gates on the outer edge of the fireworks is also 3.5V.

コンタクト159からコンタクト157に向けて滑らかで急峻な電位勾配が生じている。 A smooth and steep potential gradient is generated from the contact 159 to the contact 157 .

図16は図3の鎖線35に沿う電位分布164と図13の鎖線165に沿うコンタクト159からコンタクト157までの3.6ミクロンの経路の電位分布166を示す。電位分布164の経路長も電位分布166の経路長に合わせている。電位差は1V(=0.6V―(―0.4V))程度であるから3.6ミクロンで割るとこの間の平均電界は2.6kV/cm程度であり、95%飽和電界25kV/cmの1/10程度である。 FIG. 16 shows potential distribution 164 along dashed line 35 in FIG. 3 and potential distribution 166 for a 3.6 micron path from contact 159 to contact 157 along dashed line 165 in FIG. The path length of potential distribution 164 is also matched to the path length of potential distribution 166 . Since the potential difference is about 1 V (=0.6 V-(-0.4 V)), dividing by 3.6 microns gives an average electric field of about 2.6 kV/cm, which is 1 of the 95% saturation electric field of 25 kV/cm. /10.

図16に示すように電位分布164のフラットな部分の電界は非常に小さいが、電位分布166の方はほぼ理想的な滑かに電位が上がる分布になっている。 As shown in FIG. 16, the electric field in the flat portion of the potential distribution 164 is very small, but the potential distribution 166 has a substantially ideal distribution in which the potential rises smoothly.

図3に示す光電変換層から降りてくる信号電子の束22の直径は2ミクロン程度であり、2ミクロンの転送方向からみて上流端と下流端の間から同時に出発する信号電子の混合により時間分解能が広がる。 The diameter of the bundle 22 of signal electrons descending from the photoelectric conversion layer shown in FIG. spreads.

この効果を除いて、転送経路中の遅延と拡散による時間分解能の広がりを評価するために、図16の電位プロファイルに対して、画素中心10から出発する多数の電子の軌跡をモンテカルロ法で生成し、コンタクト157までの到達時間の標準偏差を求めた。 In order to exclude this effect and evaluate the spread of time resolution due to delay and diffusion in the transfer path, a large number of electron trajectories starting from the pixel center 10 were generated by the Monte Carlo method for the potential profile of FIG. , the standard deviation of the arrival time to the contact 157 was obtained.

第1の実施の形態と花火について該標準偏差を求めた。第1の実施の形態では35.2ps、花火では75.2psとなった。 The standard deviation was determined for the first embodiment and fireworks. It was 35.2 ps in the first embodiment, and 75.2 ps in fireworks.

実用的時間分解能は該標準偏差の3.3倍である。 A practical temporal resolution is 3.3 times the standard deviation.

従って実用的限界時間分解能は第1の実施の形態では116.2ps、花火では248.2psとなる。既に述べたように、フォトダイオードでの垂直混合で生じる実用的限界時間分解能は45ps程度であるから、花火では水平転送における拡散が時間分解能の支配要因であることがわかる。 Therefore, the practical limit time resolution is 116.2 ps for the first embodiment and 248.2 ps for fireworks. As already mentioned, the practical limit time resolution caused by vertical mixing in the photodiode is about 45 ps, so it can be seen that the diffusion in the horizontal transfer is the dominant factor of the time resolution in fireworks.

以上より、本発明の第1の実施例により時間分解能が1/2以下に縮小されることがわかる。 From the above, it can be seen that the time resolution is reduced to 1/2 or less by the first embodiment of the present invention.

第1の実施の形態は、I(≧2)種の異なる電圧を生成する電圧生成デバイス(123)と、該異なる電圧を送付する配線(124)と、平面上に配列されたM行×N列(M≧1、N≧1)の半導体から成る要素である画素を備えるデバイスであるセンサチップとを備える撮影装置であって、該平面と平行な面をC面、直交する方向をA方向、該A方向の逆方向をB方向と呼ぶとき、各画素は、C面に平行な電気的な絶縁層(143)と、該絶縁層(143)からA方向に半導体層である回路拡散層(141)と、電磁波もしくは荷電粒子により電荷を生成する層である光電変換層(140)と、該B方向に、L個(L≧1)の電極(149)を配置した電極層(144)とを、実質的に積層して成り、該回路拡散層(141)と該光電変換層(140)の近接する面の該光電変換層(140)側の面が該回路拡散層側(141)の面より実質的に小さいとともに、該電極(149)の一つが、該異なる電圧を送付する配線(124)と電気的に接合する2個以上のコンタクト(150)を備える、撮影装置を提供する。 The first embodiment includes a voltage generating device (123) for generating I (≧2) kinds of different voltages, wiring (124) for sending the different voltages, and M rows×N arranged on a plane. and a sensor chip that is a device comprising pixels that are elements made of semiconductors in rows (M≧1, N≧1), wherein the plane parallel to the plane is the C plane, and the direction perpendicular to the plane is the A direction. , when the opposite direction of the A direction is called the B direction, each pixel includes an electrically insulating layer (143) parallel to the C plane and a circuit diffusion layer which is a semiconductor layer in the A direction from the insulating layer (143). (141), a photoelectric conversion layer (140) which is a layer that generates charges by electromagnetic waves or charged particles, and an electrode layer (144) in which L (L≧1) electrodes (149) are arranged in the B direction. and the circuit diffusion layer (141) and the photoelectric conversion layer (140) are adjacent to each other, and the photoelectric conversion layer (140) side faces the circuit diffusion layer (141) and one of said electrodes (149) comprises two or more contacts (150) electrically joining wires (124) carrying said different voltages. .

(第2の実施の形態)
図17は本発明の第2の実施の形態の電極167とコンタクトの配置図168と回路拡散層の表面側のイオンドーピングパターン169を重ねて示した図である。
(Second embodiment)
FIG. 17 is a diagram showing an arrangement diagram 168 of electrodes 167 and contacts according to the second embodiment of the present invention and an ion doping pattern 169 on the surface side of the circuit diffusion layer superimposed.

第2の実施の形態では、外縁部の12個のコンタクトに加えて画素中心のコンタクトと、外縁部のコンタクトと画素中心のコンタクトとの中間点の6個のコンタクトを併せて19個のコンタクトを設けている。 In the second embodiment, in addition to the 12 contacts on the outer edge, the contact at the center of the pixel and the 6 contacts at the midpoint between the contact on the outer edge and the contact at the center of the pixel are combined to form a total of 19 contacts. are provided.

第2の実施の形態では第1の実施の形態に比べて電極間距離が約1/4であるので、1個のコンタクト当たりの電力消費量はその2乗の1/16になり、コンタクト数が増えるので、総電力消費量は一桁小さくなる。 In the second embodiment, the distance between the electrodes is about 1/4 of that in the first embodiment. is increased, the total power consumption is reduced by an order of magnitude.

第2の実施の形態では枝分かれ方向にコンタクトを結ぶ線、すなわち信号電子の経路に沿って、厚さ0.1ミクロン、幅0.3ミクロンで濃度が1017/cmのリンイオンドーピング169を備えている。 In the second embodiment, along the line connecting the contacts in the direction of branching, i.e. along the path of the signal electrons, a phosphorus ion doping 169 with a thickness of 0.1 microns, a width of 0.3 microns and a concentration of 10 17 /cm 3 is provided. ing.

これにより、転送路の幅が急に狭くなることによる狭チャンネル効果を効果的に抑制し、より高速化ができる。 As a result, the narrow channel effect due to the sudden narrowing of the width of the transfer path can be effectively suppressed, and the speed can be further increased.

また電位の溝が形成されるので、信号電子の水平方向のランダム運動により電荷を収集するフロ-ティングディフュージョンとは別のフロ-ティングディフュージョンへの信号電子の迷入によるクロストークが減る。 In addition, since the potential groove is formed, crosstalk caused by signal electrons wandering into a floating diffusion different from the floating diffusion that collects charges by horizontal random movement of signal electrons is reduced.

(第3の実施の形態)
図18は本発明の第3の実施の形態の回路拡散層の表面側のイオンドーピングパターン171、電極とコンタクトの配置図172、両者を重ねて示した図173を示す。
(Third Embodiment)
FIG. 18 shows an ion doping pattern 171 on the surface side of the circuit diffusion layer according to the third embodiment of the present invention, an arrangement diagram 172 of electrodes and contacts, and a diagram 173 showing both of them superimposed.

3種のイオン濃度のドーピングがある。電極形状に沿ったドーピング174は1016/cmのリンイオンドーピングである。枝分かれしたチャンネルに沿うドーピング175は1017/cmのヒ素イオンドーピングである。フロ-ティングディフュージョンとリセットドレーンのコンタクトドーピング176は1019/cmのヒ素イオンドーピングである。 There are three types of ion concentration doping. Doping 174 along the electrode geometry is 10 16 /cm 3 phosphorus ion doping. The doping 175 along the branched channel is 10 17 /cm 3 of arsenic ion doping. Floating diffusion and reset drain contact doping 176 is arsenic ion doping of 10 19 /cm 3 .

転送電極177の特徴は枝別れしていることである。凸12角形の電極の場合は、コンタクトに加える電圧が変化すると局所的に渦状の電流が生じる。第3の実施例ではこの現象が抑制される。 A feature of the transfer electrode 177 is that it is branched. In the case of a convex dodecagonal electrode, when the voltage applied to the contact changes, a locally eddy current is generated. This phenomenon is suppressed in the third embodiment.

さらにリセットゲート電極178を備えている。 Further, a reset gate electrode 178 is provided.

(その他の実施の形態)
実施の形態は以上の例に限らない。例えば図18で枝分かれした末端の電極は、狭いギャップで離れていて、それぞれが1個のコンタクトを備えても良い。一旦。枝分かれした先端に至った電子は元の方向に帰る確率は非常に低いので、相対的に低速でフォローティングディフュージョンに送っても良い。これにより消費電力の節約ができる。
(Other embodiments)
Embodiments are not limited to the above examples. For example, the branched end electrodes in FIG. 18 may be separated by a narrow gap and each provided with one contact. once. Electrons that have reached the branched tip have a very low probability of returning to the original direction, so they may be sent to the flowing diffusion at a relatively low speed. This saves power consumption.

また信号電荷はホールでも良い。この場合半導体のドーピングの極性が逆になる。 Also, the signal charges may be holes. In this case the doping polarity of the semiconductor is reversed.

光電変換部は逆ピラミッド型でも良いし、将来画素サイズが小さくなれば、ポテンシャル分離はp-wellによっても良い。 The photoelectric conversion part may be of an inverted pyramid type, and if the pixel size becomes smaller in the future, the potential separation may be by p-well.

本発明を要約すると、以下のとおりである。 The present invention is summarized as follows.

課題は、1000億枚/秒相当の撮影速度で連続10枚から40枚、10億枚/秒相当の撮影速度で連続数100枚撮影できるイメージセンサと撮影装置を提供する。そのためイメージセンサの画素内での信号電子の水平運動の遅滞を制御し、撮影速度を超高速化することである。 An object of the present invention is to provide an image sensor and a photographing apparatus capable of continuously taking 10 to 40 images at a photographing speed equivalent to 100 billion images/second, and 100 images continuously at a photographing speed equivalent to 1 billion images/second. Therefore, it is necessary to control the retardation of the horizontal movement of signal electrons in the pixels of the image sensor to make the photographing speed very high.

課題の解決手段は以下である。裏面照射イメージセンサで、上部のフォトダイオードと下部の回路拡散層とその間を画素中心部を除いて隔離する絶縁層とから成り、フォトダイオードで生成した信号電子を該画素中心から回路拡散層の中心に導き、回路拡散層内を画素中心から順次放射方向に転送し、保存する。転送のための電極は異なる電圧が供給される複数のコンタクトを有する。このため電極内に放射方向の電圧勾配が生じ、これにより、回路拡散層内の信号電子の転送路の最小電界が大きくなり、転送時間の広がりが抑制され、より高い時間分解能での撮影を可能にする。 The solution to the problem is as follows. A back-illuminated image sensor consists of an upper photodiode, a lower circuit diffusion layer, and an insulating layer that isolates them except for the center of the pixel. , and sequentially transferred radially from the center of the pixel in the circuit diffusion layer and stored. Electrodes for transfer have multiple contacts supplied with different voltages. As a result, a radial voltage gradient is generated in the electrode, which increases the minimum electric field in the transfer path of signal electrons in the circuit diffusion layer, suppresses the spread of transfer time, and enables imaging with higher time resolution. to

例えばポンプ・プローブ法では超短パルスレーザの照射で電子等を励起し,緩和過程をプローブ用のレーザで短時間照明し,通常のカメラで撮影する.時間をずらしながら撮影を繰り返して超高速現象の動的変化を観察する. For example, in the pump-probe method, electrons are excited by irradiating an ultra-short pulse laser, and the relaxation process is illuminated for a short time with a probe laser and photographed with an ordinary camera. Observing the dynamic changes of ultrafast phenomena by repeating photography while shifting the time.

本発明のイメージセンサを搭載したカメラを用いて時間分解能100ps程度の現象なら1回の撮影で済む.また再現性の弱い現象や,多大な準備を要する現象の連続撮影も1回で済む. A phenomenon with a temporal resolution of about 100 ps can be photographed only once by using a camera equipped with the image sensor of the present invention. In addition, continuous shooting of phenomena with poor reproducibility or phenomena that require a lot of preparation can be done in one shot.

このような直接撮影の用途だけでなく、LIDAR、FLIM(Fluorescence Lifetime Imaging)、Imaging TOF MSのような科学計測技術のセンサとしての多くの用途がある。 In addition to such direct imaging applications, there are many applications as sensors for scientific measurement technology such as LIDAR, FLIM (Fluorescence Lifetime Imaging), and Imaging TOF MS.

1 時間分解能10ナノ秒のイメージセンサで撮影した飛翔する光の画像の6枚目
2 通常のビデオカメラに映っていた飛翔する光の画像
3 時間分解能10ナノ秒のイメージセンサの1画素の断面図
4 表面側(図では下面)の電極の配置図
5 裏面(図では上面)
6 裏面に入射した光
7 光電変換層(フォトダイオード)
8 生成した電子の軌跡をモンテカルロシミュレーションで再現した例
9 該電子が生成した位置からある深さ(縦軸)までに達する時間(横軸)
10 画素中心
11 画素中心から放射状に並べた6個の電荷収集ゲート
12 画素中心から放射状に並べた6個の電荷収集ゲート
13 p-well
14 表面側の回路拡散層
15 電荷保存ゲート
16 読み出しCCDゲート
17 バリアゲート
18 ブランチングイメージセンサ(花火)の概形
19 6個のマルチ電荷収集ゲート
20 6個のマルチ電荷収集ゲートに分岐する2個のゲート
21 入射光子
22 モンテカルロシミュレーションで生成した電子の軌跡
23 開口が正方形の直方体のフォトダイオード
24 フロ-ティングディフュージョン
25,26 平均値が異なり標準偏差が等しい2つの正規分布
27,28 平均値
29 平均値間の距離
30 平均値が異なり標準偏差が等しい2つの正規分布の和の分布の頂点
31 平均値間の距離
32 平均値が異なり標準偏差が等しい2つの正規分布の和の分布の頂点のくぼみ
33 真性シリコンの電界とドリフト速度の関係
34 真性ゲルマニウムの電界とドリフト速度の関係
35 図3中の点線
36 該点線に沿う電位分布
37,38,39 電極
40 直線電界
41 レジスティブゲート
42,43 レジスティブゲートのコンタクト
44 コンタクトが1個の場合のフラットな部分を持つ電位プロファイル
45 コンタクトが2個の場合の電極中央部でも明確な勾配を持つ電位プロファイル
100 本発明の第1の実施形態の撮影装置の構成図
101 入射光
102 フィルター
103 レンズ
104 絞り
105 シャッター
106 イメージセンサ
107 カメラ部
108 撮影制御回路
109 信号読み出し回路
110 バッファメモリ
111 通信回路
112 制御コンピュータ内の画像処理装置
113 全システムを制御するための制御回路
114 内部記録装置
115 外部記録装置
116 ディスプレイ
117 コンソール
118 マウス
119 撮影を開始および停止するためのトリガー装置
120 照明装置
121 FPGA
122 定電圧生成デバイス
123 電圧生成デバイス
124 配線
125 イメージセンサの外形
126 センサチップ
127 駆動回路チップ
128 メモリチップ
129 センサチップの裏面
130 パッド
131 金属配線
132 センサチップの平面図
133 センサチップの受光面
134 パッド領域
135 マルチプレクサ領域
136 第1の実施の形態のセンサチップの1画素の断面図
137 遮光層
138 開口部
139 入射光
140 光電変換層
141 回路拡散層
142 酸化シリコン膜
143 酸化シリコンからなる絶縁層
144 電極層
145 光電変換層の側面の2酸化シリコンの絶縁層
146 光電変換層の外部の空間
147 光電変換層の裏面と側面のボロンイオンのドープ層
148 回路拡散層の表面側の画素中心を中心とした12角形のリンイオンのドープ層
149 絶縁層の下の画素中心を中心とした12角形の1枚の電極
150 12個のコンタクト
151,12個の読み出し回路
152 フローティングディフュージョン
153 リセットゲート
154 リセットドレーン
155 ドレーンとして使うゲートの電極に送る電圧波形
156 花火の電極配置
157 CVHを送ったコンタクト
158 1個のコンタクトにCVHを、他のコンタクトにCVLを送った時の回路拡散層の電位分布
159 コンタクト
160 フローティングディフュージョン
161 フローティングディフュージョン
162 リセットドレーン
163 リセットドレーン
164 図3の鎖線35に沿う電位分布
165 図13の鎖線
166 図13の鎖線165に沿うコンタクト159からコンタクト157までの電位分布
167 第2の実施の形態電極形状
168 第2の実施の形態の電極のコンタクト
169 同イオンドーピングパターン
170 同電極のコンタクトの配置図とイオンドーピングパターンを重ねて示した図
171 第3の実施の形態の回路拡散層の表面側のイオンドーピングパターン
172 同電極とコンタクトの配置図
173 同両者を重ねて示した図
174 電極形状に沿ったリンドーピングの形状
175 枝分かれしたチャンネルに沿うヒ素イオンドーピングの形状
176 フロ-ティングディフュージョンとリセットドレーンのコンタクトドーピング
177,179 フロ-ティングディフュージョン
178,180 リセットドレーン
181 阻害層
1 Sixth image of flying light captured by an image sensor with a temporal resolution of 10 nanoseconds 2 An image of flying light captured by a normal video camera 3 Cross-sectional view of one pixel of an image sensor with a temporal resolution of 10 nanoseconds 4 Layout of electrodes on the front side (lower side in the figure) 5 Back side (upper side in the figure)
6 Light incident on the back surface 7 Photoelectric conversion layer (photodiode)
8 Example of reproducing the trajectory of generated electrons by Monte Carlo simulation 9 Time (horizontal axis) for the electron to reach a certain depth (vertical axis) from the position where the electron was generated
10 pixel center 11 6 charge collection gates radially arranged from the pixel center 12 6 charge collection gates radially arranged from the pixel center 13 p-well
14 Circuit Diffusion Layer on Front Side 15 Charge Storage Gate 16 Readout CCD Gate 17 Barrier Gate 18 Outline of Branching Image Sensor (Fireworks) 19 6 Multiple Charge Collection Gates 20 2 Branched to 6 Multiple Charge Collection Gates gate 21 incident photon 22 electron trajectory generated by Monte Carlo simulation 23 rectangular photodiode with square aperture 24 floating diffusion 25, 26 two normal distributions with different mean values and equal standard deviations 27, 28 mean value 29 mean Distance between values 30 Peak of the distribution of the sum of two normal distributions with different means and equal standard deviations 31 Distance between means 32 Density of the distribution of the sum of two normal distributions with different means and equal standard deviations 33 Relationship between electric field and drift velocity of intrinsic silicon 34 Relationship between electric field and drift velocity of intrinsic germanium 35 Dotted line in FIG. Contact of the stive gate 44 Potential profile with a flat portion when there is one contact 45 Potential profile with a clear gradient even at the center of the electrode when there are two contacts 100 Imaging device according to the first embodiment of the present invention 101 Incident light 102 Filter 103 Lens 104 Diaphragm 105 Shutter 106 Image sensor 107 Camera part 108 Shooting control circuit 109 Signal readout circuit 110 Buffer memory 111 Communication circuit 112 Image processing device in control computer 113 Control Circuit 114 Internal Recording Device 115 External Recording Device 116 Display 117 Console 118 Mouse 119 Trigger Device for Starting and Stopping Shooting 120 Lighting Device 121 FPGA
122 constant voltage generation device 123 voltage generation device 124 wiring 125 outline of image sensor 126 sensor chip 127 drive circuit chip 128 memory chip 129 rear surface of sensor chip 130 pad 131 metal wiring 132 plan view of sensor chip 133 light receiving surface of sensor chip 134 pad Region 135 Multiplexer region 136 Cross-sectional view of one pixel of the sensor chip of the first embodiment 137 Light shielding layer 138 Opening 139 Incident light 140 Photoelectric conversion layer 141 Circuit diffusion layer 142 Silicon oxide film 143 Insulating layer made of silicon oxide 144 Electrode Layer 145 Silicon dioxide insulating layer on the side surface of the photoelectric conversion layer 146 Space outside the photoelectric conversion layer 147 Boron ion doped layer on the back and side surfaces of the photoelectric conversion layer 148 Centered on the pixel center on the front surface side of the circuit diffusion layer Dodecagonal phosphorus ion doped layer 149 One dodecagonal electrode centered on the pixel center under the insulating layer 150 12 contacts 151, 12 readout circuits 152 floating diffusion 153 reset gate 154 reset drain 155 as drain Voltage waveform sent to the electrode of the gate used 156 Electrode arrangement of fireworks 157 Contacts that sent CVH 158 Potential distribution of the circuit diffusion layer when sending CVH to one contact and CVL to the other contact 159 Contact 160 Floating diffusion 161 Floating diffusion 162 Reset drain 163 Reset drain 164 Potential distribution along chain line 35 in FIG. 3 165 Chain line in FIG. 13 166 Potential distribution from contact 159 to contact 157 along chain line 165 in FIG. Contact of the electrode of the second embodiment 169 Ion doping pattern of the same electrode 170 Diagram showing the layout of the contact of the same electrode and the ion doping pattern superimposed 171 Ion doping on the surface side of the circuit diffusion layer of the third embodiment Pattern 172 Layout of same electrode and contact 173 Overlapping of both 174 Phosphorus doping shape along electrode shape 175 Arsenic ion doping shape along branched channel 176 Contact doping of floating diffusion and reset drain ring 177, 179 floating diffusion 178, 180 reset drain 181 inhibition layer

Claims (6)

I(≧2)種の異なる電圧を生成する電圧生成デバイス(123)と、
該異なる電圧を送付する配線(124)と、
平面上に配列されたM行×N列(M≧1、N≧1)の半導体から成る要素である画素を備えるデバイスであるセンサチップと
を備える撮影装置であって、
該平面と平行な面をC面、直交する方向をA方向、該A方向の逆方向をB方向と呼ぶとき、
各画素は、
C面に平行な電気的な絶縁層(143)と、該絶縁層(143)からA方向に半導体層である回路拡散層(141)と、電磁波もしくは荷電粒子により電荷を生成する層である光電変換層(140)と、該B方向に、L個(L≧1)の電極(149)を配置した電極層(144)とを、実質的に積層して成り、
該回路拡散層(141)と該光電変換層(140)の近接する面の該光電変換層(140)側の面が該回路拡散層側(141)の面より実質的に小さいとともに、
該電極(149)の一つが、該異なる電圧を送付する配線(124)と電気的に接合する2個以上のコンタクト(150)を備える、撮影装置。
a voltage generating device (123) that generates I (≧2) different voltages;
a wire (124) carrying the different voltages;
and a sensor chip, which is a device comprising pixels that are elements made of semiconductors arranged on a plane in M rows×N columns (M≧1, N≧1),
When the plane parallel to the plane is called the C plane, the direction perpendicular to the plane is called the A direction, and the opposite direction of the A direction is called the B direction,
Each pixel is
An electrically insulating layer (143) parallel to the C plane, a circuit diffusion layer (141) that is a semiconductor layer in the A direction from the insulating layer (143), and a photoelectric layer that generates charges by electromagnetic waves or charged particles. A conversion layer (140) and an electrode layer (144) in which L (L≧1) electrodes (149) are arranged in the B direction, substantially laminated,
a surface of the adjacent surfaces of the circuit diffusion layer (141) and the photoelectric conversion layer (140) facing the photoelectric conversion layer (140) is substantially smaller than the surface facing the circuit diffusion layer (141);
An imaging device, wherein one of said electrodes (149) comprises two or more contacts (150) electrically joining wires (124) carrying said different voltages.
請求項1の撮影装置であって、
該電極(149)の一つが実質的な画素中心から実質的に等距離に3個以上のコンタクト(157)を備える、撮影装置。
The imaging device of claim 1,
An imager, wherein one of said electrodes (149) comprises three or more contacts (157) substantially equidistant from a substantial pixel center.
請求項1または請求項2に記載の撮影装置であって、
実質的な画素中心から実質的に等距離に2個の電極(149)を備える、撮影装置。
The imaging device according to claim 1 or claim 2,
An imaging device comprising two electrodes (149) substantially equidistant from a substantial pixel center.
請求項1から3のいずれか1項に記載の撮影装置であって、
該電極(149)の一つの不純物濃度が実質的に1018/cm以下である、撮影装置。
The imaging device according to any one of claims 1 to 3,
An imaging device, wherein the impurity concentration of one of the electrodes (149) is substantially 10 18 /cm 3 or less.
請求項1から4のいずれか1項に記載の撮影装置であって、
該回路拡散層(141)内にあって、該電極(149)の一つの上にある実質的に隣接する2個のコンタクト(157)を結合する線と平行な帯状領域と、該帯状領域の外部の領域の不純物種、もしくは不純物濃度が異なる、撮影装置。
The imaging device according to any one of claims 1 to 4,
a strip in said circuit diffusion layer (141) parallel to a line joining two substantially adjacent contacts (157) on one of said electrodes (149); Imaging device in which the impurity species or impurity concentration in the external region is different.
請求項1から5のいずれか1項に記載の撮影装置であって、
該電極(149)の一つが凹多角形からなる、撮影装置。
The imaging device according to any one of claims 1 to 5,
An imaging device, wherein one of said electrodes (149) comprises a concave polygon.
JP2021082593A 2021-05-14 2021-05-14 Ultra high speed image sensor Pending JP2022175849A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021082593A JP2022175849A (en) 2021-05-14 2021-05-14 Ultra high speed image sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021082593A JP2022175849A (en) 2021-05-14 2021-05-14 Ultra high speed image sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2022175849A true JP2022175849A (en) 2022-11-25

Family

ID=84145523

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2021082593A Pending JP2022175849A (en) 2021-05-14 2021-05-14 Ultra high speed image sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2022175849A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101015766B1 (en) Solid-state imaging device
JP6188679B2 (en) Solid-state imaging device
US8319874B2 (en) Connection/separation element in photoelectric converter portion, solid-state imaging device, and imaging apparatus
US8674417B2 (en) Solid-state imaging device and camera
US8159580B2 (en) Solid-state imaging device and imaging apparatus using the same
CN104937719B (en) Capturing element and shooting unit
US8569700B2 (en) Image sensor for two-dimensional and three-dimensional image capture
US9160932B2 (en) Fast gating photosurface
US10972687B2 (en) Image sensor with boosted photodiodes for time of flight measurements
JP5898692B2 (en) Capture of gated and ungated light on the same photosensitive surface in the same frame
JPS60130274A (en) Solid-state image pickup device
TWI764550B (en) Method of operating device, semiconductor structure, and complementary metal-oxide-semiconductor image sensor
JP2022175849A (en) Ultra high speed image sensor
WO2019093208A1 (en) High-speed image sensor
JPH06132513A (en) Three-dimensional ccd image sensor
JP5309559B2 (en) Manufacturing method of solid-state imaging device
WO2007140602A1 (en) Color image sensor
JP4711630B2 (en) Solid-state image sensor
JP2021197523A (en) Image sensor and imaging apparatus
JP2020155754A (en) High-speed imaging means
JP2019161211A (en) High-speed image sensor
Ngo et al. Simulation Study on a Backside-Illuminated Cascade-Collection-Gate Image Sensor
JP2010199157A (en) Solid imaging device, method of manufacturing the same, and electronic equipment
JPS5813080A (en) Solid-state image pickup element
JPH03248686A (en) Image pickup device